Tři věci určují elektrické a tepelné chování desky plošných spojů (DPS) nad rámec jejího rozvržení: jak silná je měď, jak jsou vrstvy uspořádány a jak daleko je každá vrstva od sousedů. Tento článek vysvětluje každou z nich a kdy o nich musíte továrně říct.
Tloušťka mědi
Tloušťka mědi se udává jako hmotnost na plochu: unce na čtvereční stopu. Jedna unce mědi rozprostřená na jedné čtvereční stopě je asi 35 mikrometrů (0,035 mm neboli 1,4 mil) silná. Dvě unce jsou asi 70 µm.
| Hmotnost | Přibližná tloušťka | Typické použití |
|---|---|---|
| 0.5 oz | 17.5 µm | Vnitřní vrstvy, jemné spoje |
| 1 oz | 35 µm | Obvyklá volba pro vnější vrstvy |
| 2 oz | 70 µm | Výkonové desky, vyšší proud |
| 3 oz a více | 105 µm a více | Těžká měď: napájecí zdroje, sběrnice |
- Tloušťka mědi: stejný spoj při třech tloušťkách.
- Izolační laminát pod mědí.
- Leptání řeže do stran stejně jako dolů, takže silná měď zanechává širší základny spojů a potřebuje širší izolační vzdálenosti.
Dvě věci lze snadno přehlédnout:
- Vnější vrstvy získávají měď při pokovování. Deska objednaná s „1 oz“ vnější mědi se obvykle vyrábí z tenčí fólie a poté se pokoví mědí, protože otvory musí být pokoveny. Hotová tloušťka se u různých výrobců uvádí různě; zeptejte se, zda údaj je výchozí fólie nebo hotová měď.
- Silnější měď potřebuje širší izolační vzdálenosti a širší spoje. Leptání jde do stran stejně jako dolů, takže těžká měď potřebuje více místa, aby se čistě vyleptala. Těžká měď také mění, jak továrna nastavuje minimální spoj a izolační vzdálenost. Nenavrhujte 3-oz měď s izolačními vzdálenostmi, které byste použili pro 0,5 oz.
Kolik proudu spoj unese
Proud, který spoj unese, závisí na jeho šířce, tloušťce mědi, nárůstu teploty, který přijmete, a na tom, zda je na vnější vrstvě (chlazené vzduchem) nebo vnitřní vrstvě (ne). Standardní reference pro to je IPC-2221, která dává křivky, a její novější průvodce IPC-2152 je považován za lepší zdroj. Použijte kalkulačku na nich založenou, přidejte rezervu a výsledky pro vnitřní vrstvy berte opatrněji. Pro spoj nesoucí více než několik ampér zvažte širší spoj, polygonový výlev, větší tloušťku mědi nebo měď vyztuženou pájkou, ne tenký spoj tlačený na limit.
Skladba vrstev
Skladba vrstev je seřazený seznam vrstev a toho, co leží mezi nimi: měď, tloušťka a typ dielektrika, měď a tak dále. Každá vícevrstvá deska jednu má a továrna rozhoduje o skutečné, pokud ji neurčíte Vy.
- Dvě vrstvy: měď, jedno jádro, měď.
- Čtyři vrstvy: vnější měď, prepreg, vnitřní měď, jádro, vnitřní měď, prepreg, vnější měď.
- Šest vrstev: dvě jádra a tři vrstvy prepregu mezi šesti vrstvami mědi.
- Prepreg: skelná tkanina s částečně vytvrzenou pryskyřicí, která taje a spojuje vrstvy, když se deska lisuje.
- Jádro: tuhý laminát s mědí na obou stranách.
Dvě vrstvy
Měď na obou stranách, jedno jádro mezi nimi. Jednoduché a levné. Dobré pro jednoduché digitální, pomalé a mnohé analogové návrhy.
Čtyři vrstvy
Nejběžnější krok nahoru. Obvyklé uspořádání:
- Signál (horní)
- Zemní plocha
- Napájecí plocha (nebo druhá zem)
- Signál (spodní)
Pevná zemní plocha pod horními signály dává zpětnou cestu pro proud a udržuje plochy smyček malé, což pomáhá šumu i vyzařování. Vnitřní vrstvy jsou měď 0,5 oz nebo 1 oz. Deska o celkové tloušťce 1,6 mm je obvyklý případ, s tenkým vnějším dielektrikem (takže horní signály sedí blízko zemní plochy) a silnějším jádrem uprostřed.
Šest vrstev
Běžné uspořádání je signál, zem, signál, signál, napájení, signál, nebo signál, zem, signál, napájení, zem, signál. Myšlenka je, že každá signálová vrstva má vedle sebe plochu a plochy jsou si co nejblíže. Šest vrstev umožňuje rychlejší signály, hustší rozvržení a lepší oddělení mezi hlučnými a tichými částmi.
Symetrie
Udržujte skladbu vrstev symetrickou kolem středu, v množství mědi i tloušťce dielektrika. Nevyvážená deska se prohýbá nebo kroutí při zahřátí v reflow a prohnutou desku lze těžko osazovat. Pokud je měď nahoře převážně zemní výlev a spodní strana je prázdná, přidejte výlev pro vyvážení.
Řízená impedance
Spoj na desce se chová jako přenosové vedení. Jeho charakteristická impedance v ohmech závisí na:
- šířce spoje,
- vzdálenosti k referenční ploše (tloušťce dielektrika),
- dielektrické konstantě (Dk) materiálu,
- tloušťce mědi,
- u diferenciálních párů na mezeře mezi dvěma spoji.
Výkres ukazuje rozměry, které vidíte. Tloušťka mědi a dielektrická konstanta materiálu se také počítají.
- Šířka spoje.
- Výška izolátoru mezi spojem a jeho referenční plochou.
- Mezera mezi dvěma spoji diferenciálního páru.
- Referenční plocha: pevná vrstva mědi pod spoji. Udržujte ji nepřerušenou.
Když signál cestuje dostatečně rychle, nesoulad mezi impedancí spoje a impedance budiče a přijímače způsobuje odrazy. Zda je to problém, závisí na době náběhu a délce spoje, ne jen na taktovací frekvenci.
Kdy na tom záleží
Řízenou impedanci potřebujete pro rozhraní, jejichž norma ji vyžaduje. Typické cíle:
- 50 Ω nesymetricky pro mnohé rádiové a rychlé nesymetrické signály,
- 90 Ω diferenciálně pro USB,
- 100 Ω diferenciálně pro Ethernet a pro mnohé páry LVDS, HDMI a typu DDR,
- 85 Ω diferenciálně pro PCIe se běžně uvádí.
Zkontrolujte cíl v datovém listu nebo normě pro Vaše rozhraní, protože hodnoty se mezi verzemi a návrhy liší.
Nepotřebujete ji pro pomalé signály, pro typické GPIO ani pro napájení. Žádat o ni, když ji nepotřebujete, zvyšuje cenu.
Co továrna potřebuje
- Skladbu vrstev. Pořadí vrstev, tloušťky mědi, typ a tloušťku dielektrika a celkovou tloušťku. Inženýři továrny mohou navrhnout takovou, která odpovídá jejich materiálům.
- Které spoje na kterých vrstvách s jakou cílovou impedancí. U diferenciálních párů řekněte, které spoje tvoří pár.
- Toleranci, kterou přijmete. Deset procent je obvyklý údaj. Užší stojí více.
- Jak se ověřuje. Továrny umisťují testovací kupóny na okraj panelu a měří je; samotná deska se neměří. Zeptejte se, zda dostanete zprávu.
Šířku spoje a mezeru pak inženýr továrny upraví, aby dosáhl cíle na skutečné skladbě vrstev, proto musíte přijmout, že Vaše nakreslená šířka se může o malou částku změnit.
Výpočet
Nástroje řešiče polí v návrhovém softwaru a volné online kalkulačky dávají dobrý první odhad. Údaj továrny pro Dk a tloušťku je ten, který se počítá, protože jmenovité hodnoty v datovém listu se liší od lisované desky.
Praktické rady
- Před trasováním požádejte o standardní skladbu vrstev továrny pro počet vrstev a tloušťku.
- Trasujte spoje s řízenou impedancí jen na vrstvách, které skladba vrstev popisuje.
- Udržujte referenční plochy nepřerušené pod rychlými signály.
- Nemíchejte tloušťky mědi na jedné vrstvě, aniž byste to továrně řekli.
- Uveďte, co je kritické, v krátké poznámce, ne jen na výkresu.
Jak se to projeví při objednávce zde
Pokud objednáte řízenou impedanci bez skladby vrstev, kontrola to řekne: „řízená impedance potřebuje skladbu vrstev“ je jedna z jejích 25 kontrol. Kontrola ze souborů nepozná, že spoj potřebuje řízenou impedanci, ani zda Vaše skladba vrstev odpovídá Vašemu návrhu; s objednávkou řekněte, které spoje a které cíle platí. Materiály a dostupné skladby vrstev jsou na stránce výrobních možností a inženýr potvrdí podrobnosti s objednávkou. K materiálům čtěte Základní materiály DPS.